Классификация магнитных материалов и их применение в микро- и наноэлектронике. (Лекция 13)

1. Лекция №13. Тема: Классификация магнитных матери-алов и их применение в микро- и нано-электронике

Лекция №13.
Тема: Классификация магнитных материалов и их применение в микро- и наноэлектронике
• 1. Классификация магнитных материалов
• 2. Магнитные материалы в микро- и
наноэлектронике

2. Классификация магнитных материалов

ферромагнетик
парамагнетик
антиферромагнетик
диамагнетик

3. Общая классификация магнитных материалов

1. Магнитомягкие материалы;
2. Магнитотвердые материалы
3. Материалы специального назначения.
4. Материалы для микро- и наноэлектроники

4. Магнитомягкие материалы

• -легко намагничиваются и размагничиваются
почти без потерь;
• - имеют высокую индукцию насыщения;
• - малые потери при работе в переменных
полях;
• - низкая стоимость.

5.

-технически чистое железо;
- листовая электротехническая сталь;
- железо-никелевые сплавы (пермаллои);
-альсиферы – сплавы Fe-Si-Al;
-ферриты (оксиферы) МеО·Fe2O3;
никель-цинковые и марганец-цинковые
ферриты
• nNiO Fe2O3+mZnO Fe2O3 + pFeO Fe2O3
• nMnO Fe2O3+mZnO Fe2O3+pFeO Fe2O3.
-ферриты СВЧ;
феррогранаты иттрия
-магнитодиэлектрики.

6. Ферриты

• По свойствам и применению ферриты делятся
на:
- магнитомягкие ферриты
(НЧ – 0,2÷20 МГц и ВЧ 20 ÷ 300 МГц);
- ферриты СВЧ (3х107- 3х1011);
- ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса
(ППГ);
- магнитотвердые ферриты.

7. Магнитотвердые материалы

1. Литые магнитотвердые сплавы – альни (Al-NiFe)
2. Порошковые магнитные материалы
(металлокерамические и металлопластичные)
3. Магнитотвердые ферриты
Бариевый феррит BaO·6Fe2O3 (ферроксидюр)

8. Материалы специального назначения

1. Металлические сплавы с ППГ
-ферриты;
-текстурированные ферромагнитные сплавы
-тонкие ферромагнитные пленки
2. Магнитострикционные материалы
сплавы Pt(50)-Fe(46); Co(50)-Fe(50); Fe-Al(13)
3. Термомагнитные материалы
сплавы на основе Ni-Cu, Fe-Ni, Fe-Ni-Cr

9.

С увеличением толщины
пленки энергетически выгодным является переход от
структуры 1 к структуре 2 и от
структуры 2 к структуре 3.
1
2
3

10. Закритическая петля гистерезиса

B
BS
Br
HC HS
H

11. Магнитные материалы в микроэлектронике

1) тонкие пленки с полосовыми магнитными
доменами;
2) тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД).

12. Тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами.

а
б
в
г

13.

• Доменная структура в тонкой пластинке
ортоферрита:
лабиринтная структура (НВН=0) (а);
переходная структура от лабиринтной к ЦДМ
(НВН мало) (б);
структура ЦДМ (достаточно сильное НВН) (в);
концентрация ЦДМ около очень тонкой
ферромагнитной проволоки (г)

14. Лабиринтная структура доменов: поведение магнитных доменов при воздействии поля и преобразование в цилиндрические магнитные домены

Н

15. Сравнительная оценка ЗУ на основе различных материалов

потребление электроэнергии:
обычные магниты: 500 1000 Вт
полупроводниковые материалы: 1000 2000 Вт
ЦМД: 10 20 Вт
рабочая температура ( 0С):
20 +65 – для обычных и полупроводниковых
материалов;
• 100 +100 для ЦМД.

16. Гигантское магнитосопротивление

Параллельное
Анти
параллельное

17. Спинтроника

• Спинтроника (spintronics) — это область
квантовой
электроники,
в
которой
для
физического представления информации наряду с
зарядом используется спин частиц, связанный с
наличием у них собственного механического
момента.

18.

Намагниченность жесткого материала зафиксирована,
а магнитомягкого материала – может меняться в
зависимости от внешнего поля. Если намагниченности в
такой системе антипараллельны, то сопротивление резко
возрастает.
магнито-мягкий материал
немагнитный металл
магнито-жеский материал

19.

Архитектура магнитного ЗУ
Считывание бита
Словарная
шина
Запись «0» Запись «1»
Битовая
Разрядная
шина
Разрядная
Битовая
шина
шина
Словарная
шина
Битовая
Разрядная
шина
шина

20.

Основные явления:
- гигантское магнитное сопротивление
- туннельное магнитное сопротивление
- спиновая инжекция
- магнитные полупроводники
- перенос спина
Основные приборы
- головки записи, сенсоры
- магнитная память – уже есть
- спиновые полевые транзисторы, спиновые
светодиоды
- магнитная логика
- квантовые вычисления

21. Основные направления разработки спинтронных приборов

- Спиновый инжектор
- Приборы, основанные на спиновом транспорте
- Спиновые транзисторы
- Магнитная память
- Считывающие головки для жестких дисков
- Датчики магнитного поля

22.

Традиционная
многозеренная
среда
Структурированная
магнитная среда

23. Структура слоев диска Blu-ray